1 Методология процесса проектирования мп системы. 1. Методология процесса проектирования мп системы
 Скачать 61.85 Kb.
|
|
Данный этап проектирования является также наиболее ответственным, так как невыявленная ошибка может привести к весьма дорогостоящим последствиям. Особенностью МП-систем для ряда областей применения является необходимость строгого соблюдения определенных норм времени на выполнение программы или ее отдельных модулей. В МП-системах выполняемые модули рабочей программы загружаются в ОЗУ. Благодаря этому имеется возможность оперативной коррекции рабочей программы в случае необходимости. В процессе отладки проектировщик имеет доступ к общей шине, что облегчает текущий контроль за работой системы. Однако наличие в большинстве современных МП внутренней кэш-памяти ограничивает возможности внешнего контроля за ходом выполнения программы. Особенно возрастают сложности отладки при использовании МП с суперскалярной структурой, в которых несколько команд выполняются одновременно и естественная очередность их выполнения может не соблюдаться. Хотя при проектировании МП-систем выполняются практически те же этапы, что и для МК-систем, однако используемая процедура разработки и средства отладки во многих случаях существенно различаются. Рассмотрим основные этапы проектирования/отладки этих систем и особенности их реализации. 1.5.2. Основные этапы процедуры проектирования Общая процедура проектирования-отладки МП- и МК-систем включает этапы, показанные на рисунке 3. Исходные данные для проектирования содержат требования к основным технико- Рисунок 3.- Основные этапы проектирования/отладки МП- и МК-систем экономическим показателям: производительности, энергопотреблению, стоимости, надежности, конструктивным и другим параметрам. 9 Выбор типа МП-средств определяется прежде всего, классом выполняемых задач. В табл.1 приведены некоторые классы задач и рекомендации типа МП-средств. Таблица 1. Характеристики задач. Характеристика задачи Тип МП – средства Основные требования Управление специализированными и/или в реальном времени объектами и процессами, Быстродействие; Микроконтроллеры как встраиваемое или автономное габариты, стоимость. оборудование. Управление системами и устройствами Быстродействие; связи Универсальные МП габариты, стоимость, объем внешней и внутренней памяти. Информационно – измерительные системы: 2. Система регистрации аналоговых данных 3.Измерительные приборы Системы управления технологическими Унификация, гибкость процессами(ТП): подсистемы ввода • Устройства сбора данных для контроля вывода информации, параметров ТП габариты, стоимость, • и др. потребление энергии. Задачи фильтрации и поиск сигналов, малые габариты, легкая вычисление спектров, преобразование стыковка с аналого- сигналов из одного вида в другой, цифровыми и цифро- устранение отражений и выделение аналоговыми Сигнальные полезного сигнала на фоне помех микропроцессоры преобразователями, и большая разрядность нейропроцессоры обрабатываемых данных и небольшой набор математических операций Обработка сигналов в реальном времени: Максимальное • распознавание речи Транспьютеры быстродействие. • обработка изображений Нейропроцессоры Если состав средств, имеющихся на плате развития, достаточен для реализации проектируемой системы, то ее разработка сводится к созданию ПО и выполнению комплексной отладки системы. Если имеющихся средств недостаточно, то они проектируются и размещаются на дополнительной плате, подключаемой к разъему на плате развития не посредственно или с помощью кабеля. Так реализуется прототип проектируемой системы, на котором можно выполнить комплексную отладку программных и аппаратных средств, а в ряде случаев и провести проверку их функционирования в рабочих условиях. После этого нетрудно разработать рабочий вариант системы, объединив на одной плате используемые модули прототипной системы. Прототипная система может использоваться в качестве рабочей (целевой), если ее параметры и конструктивное оформление удовлетворяют требованиям технического задания. В этом случае достигается сокращение сроков и стоимости проектирования системы. Следует отметить перспективность использования при разработке АС мезонинной технологии, которая унифицирует размеры и интерфейс базовой платы-носителя и размещаемых над ней небольших плат - мезонинов (типичный размер 45x99 мм). Одна плата-носитель несет от 2 до 12 мезонинов. Каждый мезонин соединяется с носителем двумя разъемами. На этапе автономной отладки АС основными орудиями разработчика являются традиционные измерительные приборы - осциллографы, мультиметры, пробники и другие, а также логические анализаторы, которые обладают широкими возможностями контроля состояния различных узлов системы в заданные моменты времени. Весьма эффективным является использование на этом этапе средств тестирования по стандарту JTAG, которые имеются в составе многих современных моделей МП и МК. С помощью размещенного на кристалле тест-порта ТАР и специальных выводов TDI, ТDО, ТСК, TMS, TRST# обеспечивается возможность подачи необходимых входных воздействий и считывания выходной реакции, запуск-останов процессора, изменение режима его работы. Вводом специальной команды можно установить выводы микропроцессора или микроконтроллера в отключенное состояние, чтобы отдельно протестировать другие устройства системы, 1.6. Средства и методы проектирования и автономной отладки аппаратных средств МП – системы. 1.6.1. Выбор семейства МП/МК и стандартной периферии Разработка архитектуры системы подразумевает определение оптимального состава АС и ПО для решения поставленных задач. При этом разработчик решает, какие функции системы будут реализованы АС, а какие ПО. Определяется номенклатура АС - выбираются тип МП или МК, объем и тип памяти, номенклатура периферийных устройств, протоколы обмена информацией и состав требуемых сигналов управления системой. Определяется также состав ПО - наличие операционной системы, ее тип и характеристики, номенклатура необходимых программных модулей, характер их взаимодействия, используемый язык программирования. Результатом выполнения этого этапа являются частные технические задания на проектирование АС и ПО. Широкая номенклатура МП и МК, выпускаемых различными фирмами, позволяет удовлетворить запросы подавляющего большинства потребителей. Однако выбор типа МП/МК является только первым шагом на пути создания системы, соответствующей требованиям заказчика. Реализация такой системы является сложным и трудоемким процессом, выполнение которого на современном уровне невозможно без использования комплекса специализированных программных и аппаратных средств, помогающих разработчику на различных этапах проектирования, программирования и отладки. Поэтому при оценке и выборе типа МП/МК для конкретного применения необходимо учитывать не только его технико-экономические характеристики, но и уровень развития программно-аппаратных средств, предлагаемых для использования в процессе проектирования-отладки систем на его основе. 11 Этап разработки АС может быть выполнен традиционными методами, с помощью которых проектируется и моделируется электрическая схема, разрабатывается печатная плата или комплект плат, после чего выполняются монтаж и отладка системы. Однако во многих случаях можно обеспечить сокращение сроков и повышение качества разработки АС путем использования «полуфабрикатов» или готовых изделий, выпускаемых рядом производителей. 1.6.2. Аппаратные средства отладки На этапе автономной отладки АС основными орудиями разработчика являются традиционные измерительные приборы - осциллографы, мультиметры, пробники и другие, а также логические анализаторы, которые обладают широкими возможностями контроля состояния различных узлов системы в заданные моменты времени. Весьма эффективным является использование на этом этапе средств тестирования по стандарту JTAG, которые имеются в составе многих современных моделей МП/МК. С помощью размещенного на кристалле тест-порта ТАР и специальных выводов TDI, ТDО, ТСК, TMS, TRST# обеспечивается возможность подачи необходимых входных воздействий и считывания выходной реакции, запуск/останов процессора, изменение режима его работы. Вводом специальной команды можно установить выводы МП/МК в отключенное состояние, чтобы отдельно протестировать другие устройства системы. 1.7. Средства и методы разработки программного обеспечения При программировании управляющих систем чаще всего используются машинно- ориентированный язык Ассемблера или языки С / C++. Язык Ассемблера применяется в случаях, когда имеются жесткие ограничения на объем требуемой памяти или на время выполнения программных модулей. Такие случаи являются достаточно типичными при решении задач управления, поэтому Ассемблеры являются одним из основных средств создания ПО для МК- систем. В тех случаях, когда указанные ограничения не очень жесткие, для создания ПО используются языки высокого уровня (обычно С / C++). Автономная отладка ПО выполняется с помощью симулятора - программной модели используемого микропроцессора или микроконтроллера. На этом этапе разработчики используют широкий набор средств программирования - компиляторы, ассемблеры, дисассемблеры, отладчики, редакторы связей и другие, без которых практически невозможно создание работоспособного ПО в течение ограниченных сроков выполнения проекта. Комплексная отладка АС и ПО является наиболее сложным и ответственным этапом создания системы. На этом этапе разработчик использует весь набор программных и аппаратных средств, применяющихся для автономной отладки АС и ПО, а также ряд специальных средств комплексной отладки. К числу таких средств относятся схемные эмуляторы -специализированные устройства, включаемые вместо МП/МК прототипной системы и обеспечивающие возможность контроля ее работы с помощью ПЭВМ, связанного со схемным эмулятором. являются наиболее эффективным средством комплексной отладки систем. Одним из наиболее эффективных средств комплексной отладки МК-систем являются эмуляторы ПЗУ. Это устройство включается вместо ПЗУ прототипной системы и работает под управлением подключенного к нему ПЭВМ. Так обеспечивается текущий контроль за выполнением программы и ее оперативная коррекция, что значительно упрощает процесс отладки. Для МК-систем заключительной процедурой комплексной отладки является запись в ПЗУ объектных модулей отлаженной программы и завершающее испытание ее работоспособности. Запись программы в ПЗУ осуществляется с помощью специальных программаторов. После выполнения указанных этапов отлаженная прототипная система может быть испытана в рабочих условиях с подключением полного набора реальных периферийных устройств и объектов управления. В процессе опытной эксплуатации выявляются ошибки, не обнаруженные на этапе отладки, определяется реакция системы на возможные непредвиденные ситуации. 12 1.8. Программные средства поддержки проектирования и отладки систем В процессе разработки и отладки программного обеспечения микропроцессорных систем используются следующие программные средства: ассемблеры, компиляторы; симуляторы (программно-логические модели); отладчики, редакторы связей (компоновщики, загрузчики). В современных комплексах проектирования/отладки систем эти средства обычно работают совместно, в составе интегрированной среды (оболочки) программирования. Особенно сложные задачи приходится решать при программировании управляющих систем, работающих в реальном масштабе времени. В этом случае разработчик должен использовать какую-либо из имеющихся операционных систем реального времени (ОСРВ) или создавать собственные программы-мониторы реального времени с помощью указанных выше средств программирования. В составе многих ОСРВ имеются средства поддержки программирования, которые могут использоваться при проектировании/отладке системы. Таким образом, при создании ПО МП- и МК-систем разработчик имеет следующие возможности: использовать набор отдельных средств поддержки программирования (ассемблер или компилятор, симулятор, отладчик), которые предлагаются рядом фирм-производителей; выполнять программирование и отладку с помощью интегрированной среды разработки (development environment); разрабатывать программное обеспечение с помощью средств поддержки, имеющихся в составе ОСРВ, которая используется в проектируемой системе. В настоящее время программирование и отладка чаще всего выполняются с помощью интегрированной среды развития или средств ОСРВ. Программирование производится обычно с помощью кросс-средств, инсталлированных на инструментальном компьютере с мощной операционной системой. В качестве инструментальных компьютеров используются ПЭВМ. Операционными системами этих компьютеров служат различные версии Windows и UNIX (Solaris, AIX, ULTRIX и другие). Язык Ассемблера очень часто применяется при программировании МП- и МК-систем, так, его использование обеспечивает существенное уменьшение объема памяти программ и времени выполнения программных модулей (до 20 - 50 %). Упрощенные (демонстрационные) версии Ассемблеров для всех семейств МП и МК Motorola предоставляются бесплатно рядом фирм и распространяются по сети Интернет. Эти версии обычно имеют ограничения на объем транслируемых программ (до нескольких сотен или тысяч строк), а также не обеспечивают ряд сервисных возможностей. Ассемблеры с широким набором функциональных возможностей, включая макросы (макроассемблеры), поставляются рядом разработчиков, в том числе фирмой «Motorola». В качестве языков высокого уровня чаще всего используются С, C++. Некоторыми фирма- ми поставляются также компиляторы для языков FORTRAN, Modula-2, Ada, Pascal. Все эти компиляторы обеспечивают также программирование на языке Ассемблера. Большинство из них содержат компоновщики для связи программных модулей, библиотеки функций. Многие компиляторы по указанию разработчика могут оптимизировать процесс трансляции исходного текста с целью получения объектного кода с минимальным объемом или минимальным временем выполнения программы. Такие компиляторы называются оптимизирующими. 1.9. Средства и методы комплексной отладки МП-систем К ним относятся программаторы[1§8.6.1.], логические анализаторы[1§8.6.2.] и встроенные в МП средства отладки. 13 2. Методические указания к разработке МП – системы 2.1. Исследовательский раздел. 2.1.1. Исследование предметной области курсовой работы 2.1.1.1. Проанализировать задание на курсовую работу, выявить специфику алгоритма решения задачи и определить её принадлежности к типовому классу алгоритмов или задач, решаемых МП – системами. 2.1.1.2. Ознакомиться по рекомендуемым источникам и методическим указаниям с методологией (направлениям, принципам и методам) и методикой(основными этапами) разработки МП- систем. 2.1.1.3. Выполнить поиск дополнительных источников, соответствующих заданию на курсовую работу, проанализировать и выбрать из них основные. 2.1.1.4. Изучить по основным источникам теоретические основы и принципы функционирования аналогичных разрабатываемой МП – системе и критерии их эффективности. 2.1.1.5. Выбрать и оценить параметры и характеристики, аппаратные и программные средства, архитектуру и прототипы проектируемой МП – системы. В ходе изложения результатов в исследованиях показать знание основных понятий и терминов. 2.1.2. Составление технического задания на разработку МП – системы. 2.1.2.1. Доопределить необходимые исходные данные для разработки МП – системы: параметры, характеристики, режимы. 2.1.2.2. Выделить комплекс проблем составляющих сущность функционирования и проектирования разрабатываемой МП- системы и выделить из них те, что будут решены в курсовой работе. 2.1.2.3. По критериям проанализировать возможности разных классов МП – средств, обосновать выбор класса. Обосновать критерии выбора возможности применения для реализации задачи типовых классов МП – средств (МК и МП). Привести результаты сравнения (выбора) в виде таблиц. 2.1.2.4. Сформулировать техническое задание на курсовую работу, уточняя, детализируя и конкретизируя задание, полученное у преподавателя, на основании выполненного выше анализа. 2.2. Конструкторский раздел. 2.2.1. Системное проектирование. 2.2.1.1. Обосновать требования к основным технико – экономических показателей эффективности (критериям эффективности) МП – системы: производительности, |